[CS:APP] 1-4) 프로세서의 작동 원리

이주희·2023년 3월 6일

CSAPP 컴퓨터 시스템

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프로세서는 메모리에 저장된 인스트럭션을 읽고 해석한다

[1-2) 컴파일 시스템]에 의해
실행가능한 목적파일로 번역되어 디스크에 저장된 hello 실행파일을 유닉스 시스템에서 실행하는 과정을 알아보자!

쉘

hello 실행파일을 유닉스 시스템에서 실행하기 위해서 쉘이라는 응용프로그램에 그 이름을 입력한다.

linux> ./hello
hello, world
linux>

1) 쉘은 커맨드라인 인터프리터로, 프롬프트를 출력하고 명령어 라인을 입력 받아 그 명령을 실행한다.

2) 명령어 라인이 내장 쉘 명령어가 아니면, 쉘은 실행파일의 이름으로 판단하고 그 파일을 로딩해서 실행해준다.

위 경우, 쉘은 hello 프로그램을 로딩하고, 실행한 뒤에 종료를 기다린다.

3) hello 프로그램은 메시지를 화면에 출력하고 종료한다.

4) 쉘은 프롬프트를 출력해주고 다음 입력 명령어 라인을 기다린다.

시스템의 하드웨어 조직

1. Buses : 버스

시스템 내를 관통하는 전기적 배선군을 버스라고 한다.
컴포넌트들 간에 바이트 정보들을 전송한다.
버스는 일반적으로 워드(word) 라고 하는 고정 크기의 바이트 단위로 데이터를 전송하도록 설계된다.

워드 (word)

고정 크기의 바이트 단위
한 개의 워드를 구성하는 바이트 수는 시스템마다 보유하는 기본 시스템 변수다.
오늘날 대부분의 컴퓨터들은 4바이트(32비트) 또는 8바이트(64비트) 워드 크기를 갖는다.

2. 입출력 장치

입출력 장치는 시스템과 외부세계와의 연결을 담당한다.
위 이미지에서는 네 개의 입출력 장치를 가지고 있다.
👉🏻 입력용 키보드와 마우스, 출력용 디스플레이, 데이터와 프로그램의 장기 저장을 위한 디스크 드라이브
처음에 실행가능 파일인 hello 프로그램은 디스크에 저장되어 있다.
각 입출력 장치는 입출력 버스와 컨트롤러나 어댑터를 통해 연결된다.

컨트롤러와 어댑터

둘 다 입출력 버스와 입출력 장치들 간에 정보를 주고받게 해준다.
두 장치의 차이는 패키징에 있다.
컨트롤러는 디바이스 자체가 칩셋이거나 시스템의 인쇄기판(종종 머더보드라고 부른다)에 장착된다.
어댑터는 머더보드의 슬롯에 장착되는 카드이다.

3. 메인 메모리

메인 메모리는 프로세서가 프로그램을 실행하는 동안 데이터와 프로그램을 모두 저장하는 임시 저장장치다.
물리적으로 메인 메모리는 DRAM(Dynamic Random Access Memory) 칩들로 구성되어 있다.
논리적으로 메모리는 연속적인 바이트들의 배열로,
각각 0부터 시작해서 고유의 주소(배열의 인덱스)를 가지고 있다.
일반적으로 한 개의 프로그램을 구성하는 각 기계어 인스트럭션은 다양한 바이트 크기를 갖는다.
C 프로그램 변수들의 데이터 크기는 데이터 형에 따라 다르다.

# 데이터 형에 따라 다른 c 변수의 데이터 크기 (리눅스가 동작하는 x86-64 컴퓨터에서)
* short 타입 : 2byte
* int, float 타입 : 4byte
* long, double 타입 : 8byte

4. CPU = 프로세서 = 주처리장치

Central Processing Unit

프로세서는 메인 메모리에 저장된 인스트럭션들을 해독(실행) 하는 엔진이다.
프로세서의 중심에는 워드 크기의 저장장치(또는 레지스터)인 프로그램 카운터(PC) 가 있다.
(Personal Computer 아님..ㅎ)
어느 한순간에 PC는 메인 메모리의 기계어 인스트럭션을 가리킨다.
시스템에 전원이 공급되는 순간부터 전원이 끊어질 때까지 프로세서는 프로그램 카운터가 가리키는 곳의 인스트럭션을 반복적으로 실행하고 PC값이 다음 인스트럭션의 위치를 가리키도록 업데이트 한다.
프로세서는 자신의 인스트럭션 집합 구조(Instruction set architecture) 로 정의되는 매우 단순한 인스트럭션 실행 모델을 따라 작동하는 것처럼 보인다.
(사실 최신 프로세서들은 프로그램의 실행 속도를 높이기 위해 훨씬 더 복잡한 방식을 사용한다..)
이 모델에서 인스트럭션들은 규칙적인 순서로 실행되고, 한 개의 인스트럭션을 실행하는 것은 여러 단계를 수행함으로써 이루어진다.

프로세서의 동작

1) 프로세서는 PC가 가리키는 메모리로부터 인스트럭션을 읽어온다.
2) 이 인스트럭션에서 비트들을 해석하여 인스트럭션이 지정하는 간단한 동작을 실행한다.
3) PC를 다음 인스트럭션 위치로 업데이트 한다.
👉🏻 이 새로운 위치는 방금 수행한 인스트럭션과 메모리 상에서 연속적일 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다.

이와 같은 몇 개의 단순한 동작만이 있을 뿐이며,
이들은 메모리, 레지스터 파일, 수식/논리 처리기(ALU) 주위를 순환한다.

* 레지스터 파일
레지스터 파일은 각각 고유의 이름을 갖는 워드 크기의 레지스터 집합으로 구성되어 있다.

* ALU : Arithmetic/Logic Unit
ALU는 새 데이터와 주소 값을 계산한다.

CPU의 작업

다음은 인스트럭션의 요청에 의해 CPU가 실행하는 단순한 작업의 예이다.

적재(Load)
메인 메모리에서 레지스터에 한 바이트 또는 워드를 이전 값에 덮어쓰는 방식으로 복사한다.
저장(Store)
레지스터에서 메인 메모리로 한 바이트 또는 워드를 이전 값을 덮어쓰는 방식으로 복사한다.
작업(Operate)
두 레지스터의 값을 ALU로 복사하고 두 개의 워드로 수식연산을 수행한 뒤, 결과를 덮어쓰기 방식으로 레지스터에 저장된다.
점프(Jump)
인스트럭션 자신으로부터 한 개의 워드를 추출하고, 이것을 PC에 덮어쓰기 방식으로 복사한다.

프로그램의 실행 과정

1. 명령 대기

처음에 쉘 프로그램은 자신의 인스트럭션을 실행하면서 사용자가 명령을 입력하기를 기다린다.

2. 명령 입력

:\hello를 입력하면 쉘 프로그램은 각각의 문자를 레지스터에 읽어들인 후 메모리에 저장한다.
키보드에서 엔터키를 누르면 쉘은 명령 입력을 끝마쳤다는 것을 알게 된다.

3. 실행파일 로딩

쉘은 파일 내의 코드와 데이터를 복사하는 일련의 인스트럭션을 실행하여 실행파일 hello를 디스크에서 메인 메모리로 로딩한다.
직접 메모리 접근(DMA) 기법을 이용해서 데이터는 프로세서를 거치지 않고 디스크에서 메인 메모리로 직접 이동한다.

4. 프로그램 실행

hello 목적파일의 코드와 데이터가 메모리에 적재된 후, 프로세서는 hello 프로그램의 main 루틴의 기계어 인스트럭션을 실행하기 시작한다.
이 인스트럭션들은 hello, world\n 스트링을 메모리로부터 레지스터 파일로 복사하고, 거기로부터 디스플레이 장치로 전송하여 화면에 글자들이 표시된다.